含噪聲混合云大數(shù)據(jù)流量SDN控制方法仿真

潘志安,王茂發(fā),陳亞睿

(1. 防災(zāi)科技學(xué)院信息工程學(xué)院,河北 三河 065201;2. 桂林電子科技大學(xué)計算機與信息安全學(xué)院,廣西 桂林 541004)

1 引言

互聯(lián)網(wǎng)的普及,使網(wǎng)絡(luò)負(fù)載及網(wǎng)絡(luò)傳輸效率以及系統(tǒng)容量都面臨巨大考驗。為盡快解決當(dāng)下面臨的問題,提出一種將LTE網(wǎng)絡(luò)與IEEE 802.11網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方案,該方案雖然可以解決適當(dāng)增加系統(tǒng)容量,在一定程度上減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載,但仍存在各類流量控制的難題,這也使得大數(shù)據(jù)流量的實時控制成為當(dāng)下研究的熱點。

谷保平等人[1]利用SDN控制器實現(xiàn)信息收集,通過構(gòu)建分類功能,找到一個調(diào)度值輸入到TX節(jié)點中,以此減少對于lcore的占用,實現(xiàn)流量控制的目的,該方法吞吐量大,但丟失率較高。閆偉等人[2]將網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)分類,提取對時延敏感的數(shù)據(jù)輸入至最小時延的網(wǎng)絡(luò)中,將其余數(shù)據(jù)依據(jù)時延敏感程度分別放入對應(yīng)時延大小的網(wǎng)絡(luò)中,以此達(dá)到控制流量的目的,該方法數(shù)據(jù)傳輸速率較高,但時延較大。王新語等人[3]利用模擬節(jié)點的方式構(gòu)建流量控制復(fù)雜模型,并結(jié)合迭代算法獲取數(shù)據(jù)取值集合,結(jié)合Agent技術(shù)建立控制系統(tǒng),通過劃分對應(yīng)區(qū)域的方式達(dá)到流量管理的目的,該方法具有較高的適應(yīng)性,但流量輸送總量較少。

為了解決上述問題,提出基于SDN技術(shù)的混合云大數(shù)據(jù)流量實時控制方法。將大數(shù)據(jù)流量中的噪聲去除,采用SDN網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)流量的控制,同時學(xué)習(xí)并優(yōu)化流量控制器,達(dá)到流量實時控制的目的。

2 方法

2.1 數(shù)據(jù)流量去噪

為了對大數(shù)據(jù)流量精準(zhǔn)控制,利用變形檢測數(shù)據(jù)噪聲分離法對其含有的噪聲分離去除,其過程如下:

將包含噪聲的流量數(shù)據(jù)y(u)采用改進(jìn)的完備集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(ICEEMD)的方式分解[4],通過計算獲取y(u)與各個IMF分量間的相關(guān)系數(shù)。當(dāng)處于L1-1階的系數(shù)出現(xiàn)局部極小值時,則將位于L1-1階的IMF分量判定為噪聲分量。

對未實施判定的L1-1階分量重構(gòu)處理,并以此作為虛擬噪聲,假設(shè)n為觀測信號,其得到的函數(shù)如下所示:

(1)

當(dāng)重構(gòu)得到的虛擬噪聲越接近于真實噪聲,則可以分離獲取出的原信號就越準(zhǔn)確。但只經(jīng)過一次分解的分量不可能將原信號完整有效的完全分離出,需要利用ICEEMD方法對分解過后的noise信號二次分解,并剔除其中所含的有效信息,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建二次分解后的噪聲分量,得到更為準(zhǔn)確的噪聲信號,其以noise2代表。

將得到的噪聲分量與序列y(u)組合,得到多維觀測通道,并以此作為輸入數(shù)據(jù)輸入至ICA中,在此基礎(chǔ)上結(jié)合FastI-CA算法去噪分離,以此得到含有有效信號的獨立數(shù)據(jù)分量y′(u)。

據(jù)研究表明,ICA中存在三大不確定性的問題,為了解決其三大問題所帶來的影響,需要利用MDP準(zhǔn)則與相關(guān)系數(shù)結(jié)合的方法處理其得出的獨立分量[5],其過程如下:

通過計算得到y(tǒng)(u)與y′(u)間的相關(guān)系數(shù)如下所示:

(2)

通常情況下,0≤σy′y≤1。y(u)與y′(u)的相似度與σy′y值的大小成正比,可以此作為判別ICA分離出的y′(u)是否需要重新排序的依據(jù),從而得到確定的排序,解決其不確定性的問題。

經(jīng)過上述操作后,并不能完全消除分量與原信號間的不確定性,即相位不確定性,也就是說二者之間可能處于同向或反向位置。當(dāng)兩者處于反向位置(-1≤σy′y≤0)時,其得到的波形互為鏡像。由此可以得到σy′y不僅可以解決排序不確定性的問題,同時還可以確定相位。綜上所述,反向時y′(u)可直接取負(fù)值。

將得到的X2與ICA的輸入觀測信號相乘,獲取幅值確定的y′(u)。在消除流量數(shù)據(jù)噪音時,不需要對其相位處理,根據(jù)上述步驟可以確定y′(u)的準(zhǔn)確值。由此可以對噪聲精確提取并消除。

2.2 流量控制器布置條件

在得到去噪后的流量數(shù)據(jù)結(jié)果后,將得到的精確數(shù)據(jù)流量輸入至SDN網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對于數(shù)據(jù)流量的控制。在操作過程中,為滿足不同用戶對于網(wǎng)絡(luò)的需求,還需要使SDN的相應(yīng)時間應(yīng)盡量縮短[7]。想要縮小控制時延,可以將控制器均勻分布,為此需要得到控制器分布的最遠(yuǎn)距離,以求得最優(yōu)的控制時延。

假設(shè)控制器分布的最遠(yuǎn)距離為E,E的值越大,表示局部節(jié)點與控制器距離較遠(yuǎn),控制器分布集中;反之則分布均勻。由此可以得到E的數(shù)學(xué)模型如下:

(3)

其中,T表示交換機集合,D為控制器集合,ej,k表示任意兩節(jié)點間的最短路徑。將時延用U表示,用Uj,k代表交換機tk與dj之間實行信息交換所需時間,qj表示控制器dj的處理能力,其表達(dá)式如下所示:

(4)

(5)

其中,O代表節(jié)點總數(shù)。Uj值與控制器的控制效果越好。以負(fù)載均衡作為前提條件[9],將控制時延U表示為各個dj控制時延之和,若用rj表示dj的負(fù)載,則可以得到如下表達(dá)式:

(6)

其中,N代表網(wǎng)絡(luò)中所有控制節(jié)點總數(shù)。由上述計算可以得出,控制時延與負(fù)載大小成正比。在處理器不同的情況下,當(dāng)各處理器擁有相同的處理能力,負(fù)載的大小決定處理器的時延大小,即負(fù)載越大,時延越長,因此在網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)過載現(xiàn)象時,網(wǎng)絡(luò)的控制時延將無限增長。綜上所述,負(fù)載加權(quán)方法不僅降低網(wǎng)絡(luò)時延,更平衡了網(wǎng)絡(luò)控制器的負(fù)載。

在部署控制器實行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時,還需要考慮的一個重要因素是控制鏈路的可靠性[10]。將控制鏈路的失效概率記作sf,其與鏈路長度成正比,即鏈路越長,sf越大。由此可以得到sf的數(shù)學(xué)模型如下所示:

sf=(1-βv)ef

(7)

其中,βv代表單位長度的失效概率,ef表示鏈路長度。由于各鏈路間存在差別,因此不同鏈路所擁有的失效概率βv也不同。位于軌道間的鏈路由于在極點附近時會被衛(wèi)星關(guān)閉,頻繁的開關(guān)使得其比軌道內(nèi)的鏈路的βv要高。

將節(jié)點失效概率記作so,其代表的是位于網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點無法正常工作的概率。將控制節(jié)點的失效概率記作ψ。在部署控制器時,需將其放置在so較小處,以此保證網(wǎng)絡(luò)可靠性。由此得到ψ的數(shù)學(xué)模型為:

(8)

假定控制鏈路的可靠系數(shù)用S表示,其是由sf與so共同決定的,由此可以得到tk與dj之間的Sj,k的數(shù)學(xué)模型如下所示:

(9)

其中,Fj,k表示兩節(jié)點間最短路徑經(jīng)過的直連鏈路集合,Wj,k為兩節(jié)點間最短路徑經(jīng)過的節(jié)點集合。dj所對應(yīng)的可靠系數(shù)Sj為其所處區(qū)域各個可靠系數(shù)的平均值。在考慮負(fù)載均衡的情況下[11],各個控制域內(nèi)可靠系數(shù)按負(fù)載加權(quán)的和可以得到整個網(wǎng)絡(luò)的可靠系數(shù)S,由此可以得到Sj與S的數(shù)學(xué)模型分別為:

(10)

2.3 流量控制器部署

在明確了最優(yōu)的控制器部署位置后,便可以對流量控制器部署。在已知的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境H(W,F)中,W代表其中所有節(jié)點集合,假設(shè)集合中含有o個節(jié)點,那么可以得到|W|=o,假定用F∈W×W表示鏈路集合,用邊權(quán)重表示網(wǎng)絡(luò)時延。想要準(zhǔn)確的對流量控制,需要擁有較小的平均時延以及布置較少的控制器數(shù)量(用l表示)。網(wǎng)絡(luò)中各控制器的平均時延Mb的數(shù)學(xué)模型如下所示[13]：

(11)

其中,w表示節(jié)點,t為控制器,且w,t∈W,則e(w,t)表示w到t的最短路徑。在實現(xiàn)控制器部署之前,需要獲取其部署集合T′,且|T′|=l,其中Mb的大小與l的大小成正比。

將所有節(jié)點編號處理,用{D}代表t的集合,且|D|=D。用{T}表示交換機集合,且|T|=o。若控制器與交換機位置重疊,則?j∈{T},?k∈{D},當(dāng)yjk取值為1時,則表示在k交換機處部署控制器,當(dāng)yjk取值為0時,則不部署。

利用BPSO算法將各粒子的局部以及全局最優(yōu)限制為0或1[14],其它不作限制,可以得到粒子Yj=[yj1,yj2,…,yjk,…,yj,o],以此作為部署控制器的一種方案,其中的j表示粒子編號,k代表交換機編號。若在一個交換機位置只能部署一個控制器,并且一個控制器至少要控制一個交換機,那么可以得到的優(yōu)化目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型為:

(12)

其中,g1(Yj)和g2(Yj)分別代表控制器總數(shù)與各節(jié)點到控制器的平均時延。

(13)

式中:rmax表示各交換機到控制器的平均跳數(shù),通常情況下為大概數(shù)值,mr代表r跳的物理鏈路[15],ib則表示各節(jié)點的平均跳數(shù)。由此可以引申出控制器部署的約束條件為:

(14)

假定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中一個控制器對應(yīng)一個交換機,且二者間流量流通時延為0,則當(dāng)?j,k,k=j時,ek,j=e(k,j)=0,由此可以得到:

(15)

反之當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中只有一個控制器時,交換機與控制器間的流量流通時延最大,則可以得到:

(16)

根據(jù)上述約束條件實現(xiàn)流量控制器的部署,得到最優(yōu)的流量控制效果,以此實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)云大數(shù)據(jù)流量實時控制的目的。

3 實驗與分析

為驗證基于SDN技術(shù)的混合云大數(shù)據(jù)流量實時控制方法的整體有效性,需對其測試。選取15臺PC機作為實驗對象,利用所提方法、交換網(wǎng)絡(luò)流量控制方法(參考文獻(xiàn)[1]方法)、數(shù)據(jù)分類和最小時延流量控制方法(參考文獻(xiàn)[2]方法)和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的流量控制方法(參考文獻(xiàn)[3]方法)對其流量實時控制的穩(wěn)定性展開對比實驗,得到的結(jié)果如圖1所示。

圖1 各方法流量控制穩(wěn)定性對比

從上圖可以看出,隨著時間的推移,使用交換網(wǎng)絡(luò)流量控制方法、數(shù)據(jù)分類和最小時延流量控制方法和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的流量控制方法控制的網(wǎng)絡(luò)流量數(shù)據(jù)流速均有較大波動,而使用所提方法控制的網(wǎng)絡(luò)流量數(shù)據(jù)流速波動幅度平緩。這是因為所提方法學(xué)習(xí)并優(yōu)化了流量控制器布置所需條件,降低控制器時延。因此在實際應(yīng)用過程中可以有效降低網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量流速的波動,更好的實現(xiàn)實時控制網(wǎng)絡(luò)流量的目的。

采用不同方法對流量控制過程中單位時間內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐量對比,每個方法各取1流、3流和5流對比,得到的結(jié)果如下所示。

表1 各方法網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐量對比(B/s)

由上表可以看出,在同一流為前提的條件下,所提方法在單位時間內(nèi)的數(shù)據(jù)吞吐量均大于其它三種方法在單位時間內(nèi)的數(shù)據(jù)吞吐量,因此在實際應(yīng)用過程中,利用所提方法對網(wǎng)絡(luò)云數(shù)據(jù)流量控制所輸送的數(shù)據(jù)總量更多,更能滿足大眾需求。

利用不同方法對流量控制過程中數(shù)據(jù)丟失率展開對比實驗,實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 各方法數(shù)據(jù)丟失率對比

由上圖可以看出,在時間條件相同的情況下,所提方法的數(shù)據(jù)丟失率低于0.02%,比其它三種方法數(shù)據(jù)丟失率低且變動較為穩(wěn)定,因此所提方法可以更好的適用于實際情況下的流量實時控制服務(wù)。

4 結(jié)束語

為解決網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)吞吐量較低、丟失率較高且對于流量實時控制的穩(wěn)定性較差的問題,提出基于SDN技術(shù)的混合云大數(shù)據(jù)流量實時控制方法,該方法對現(xiàn)有數(shù)據(jù)網(wǎng)去噪處理,明確并優(yōu)化控制器的部署條件,部署控制器以達(dá)到控制流量的目的,該方法很好的避免了目前方法存在的問題,能更好的滿足大眾的需求,為互聯(lián)網(wǎng)的普及提供保障。